Un equipo de investigadores, afiliado al Instituto Nacional de Ciencia y Tecnología de Ulsan (UNIST) de Corea del Sur ha demostrado la posibilidad de inducir y controlar una respuesta magnética en un material de capa no magnética a través de la excitación selectiva de vibraciones específicas del material.

Un equipo de investigación afiliado a UNIST ha demostrado recientemente la posibilidad de inducir y controlar una respuesta magnética en un material de capa no magnética a través de la excitación selectiva de la vibración específica del material, utilizando herramientas de simulación teórica de última generación.

Este avance ha sido dirigido por el profesor Noejung Park en la Escuela de Ciencias Naturales en colaboración con investigadores del Departamento de Teoría del MPSD (Instituto Max Planck para la Estructura y Dinámica de la Materia) y CFEL en Hamburgo. En el estudio, el equipo de investigación demostró que los fonones polarizados circularmente producen un estado de espín dinámico dependiente del valle como resultado de un fuerte acoplamiento espín-fonón, que se puede desarrollar como un vehículo para aplicaciones de computación cuántica o espintrónica. Los hallazgos de este estudio se han publicado en Comunicaciones de la naturaleza el 12 de febrero 2018.

En todos los días de la vida, experimentamos y utilizamos muchas propiedades de los materiales:desde conductores / aislantes eléctricos y térmicos hasta micro / nanoelectrónica, telecomunicaciones informática, sensorización, conversión de energía y materiales a medida con mecánica específica, propiedades ópticas y magnéticas, para nombrar unos pocos. Microscópicamente, estos materiales consisten en electrones y núcleos, y sus propiedades pueden atribuirse principalmente a la disposición mecánica cuántica de los electrones. Aunque el núcleo atómico también puede especificarse por sus partículas constituyentes, como protones y neutrones, la estructura interna del núcleo, en la mayoría de los casos, no juega ningún papel en la determinación de las propiedades del material. En lugar de, los núcleos se manifiestan claramente a través de su vibración. La forma y magnitud de las vibraciones, que se llama específicamente un fonón, son otro factor dominante que determina las propiedades del material además de la carga y el espín de los electrones.

En la actualidad, los investigadores se han centrado en estructuras elementales de materiales con el objetivo de miniaturizar en última instancia unidades magnéticas o dispositivos electrónicos. Grafeno la capa única de carbono, y la monocapa de dicalcogenuro de metal de transición (TMDC) son ejemplos principales en esta perspectiva. Si los giros en estos materiales bidimensionales (2-D) se pueden alinear para formar un imán o qué tan sensiblemente se ven afectados por los fonones sigue siendo una cuestión importante. En su estudio, tomando MoS2 y también otros TMDC como material de muestra, el equipo de investigación estudió cómo la estructura de espín puede cambiarse por la presencia de un fonón. Los extensos cálculos de supercomputación de ecuaciones de la mecánica cuántica mostraron que, cuando un material tiene un fuerte acoplamiento entre el espín y el estado orbital de sus electrones, un fonón particular puede derivar una dinámica de espín de manera similar a como lo hace un campo magnético giratorio.

Este efecto se basa en un concepto fundamental de la física teórica llamado ruptura de simetría. Especialmente en los cristales, las simetrías de la disposición de los átomos juegan un papel decisivo, y romper uno de ellos a menudo trae cambios dramáticos en las propiedades del material. La simetría de un sistema no solo involucra el espacio, pero también se puede ampliar en el tiempo. En lo que se llama simetría de inversión del tiempo, la física observada sería la misma si avanzamos o retrocedemos en el tiempo. Por ejemplo, en un video de dos bolas de billar chocando, no se puede saber si el video avanza o retrocede debido a la simetría. Sin embargo, en presencia de un campo magnético, el movimiento de los electrones no se puede engañar de esta manera porque su estado de movimiento hacia adelante ya no es simétrico al de movimiento hacia atrás.

En lugar de un campo magnético, muchos investigadores han utilizado recientemente un fotón polarizado circularmente, o un estado de luz giratorio, para romper la simetría de inversión del tiempo. En su estudio, en lugar de un fotón, utilizaron el movimiento giratorio de los átomos en un cristal, es decir, el fonón circular, como un nuevo tipo de mecanismo de ruptura por inversión de tiempo. El equipo de investigación demostró que tales fonones se pueden comparar con la presencia del campo magnético y se pueden utilizar para la manipulación rápida de unidades magnéticas de materiales elementales 2-D.